本發(fā)明涉及空調控制技術領域，尤其涉及的是一種基于PID算法的空調控制方法及其系統。

背景技術：

目前，采用傳統IDC數據中心的用戶基本為電信運營商、數據中心服務商、銀行、醫(yī)院、政府機構的大機房，該類機房在大批量使用直膨式精密空調，通過啟動和停止壓縮機的方式，調節(jié)空調的輸出冷量，普偏存在空調效率低、能耗高、壓縮機頻繁啟停造成使用壽命縮短等現象。

多年來，隨著數據中心的耗電巨大的現象日益突顯，其運營成本壓力增大，行業(yè)內也在不斷研究各類節(jié)能發(fā)明，主要研究方向是改善機房氣流組織，間接提升空調的換熱效率，從而實現一定程序上的降低能耗，但空調的能耗依然很高，還有更深一步的節(jié)能空調有待挖掘。

但是在住宅及普通商用建筑物的制冷領域，存在對壓縮機做節(jié)能優(yōu)化的發(fā)明，但因為應用場合的差異，在空調為雙壓縮機的工況下，其控制方法為一臺變頻器同時控制兩臺壓縮機及室內風機，并使兩臺壓縮機同時啟動或停止，且室內風機的轉速下降率與壓縮機轉速下降率保持一致。該發(fā)明應用在機房空調上，存在的缺點有：其冷量的控制范圍狹窄（約為70%～100%），在機房低負載的情況下，明顯增加了機房溫度波動變化，能很輕易的超出機房允許的變化波動，無法滿足機房大風量、小晗差及溫度變化波動小等要求。該種室內風機轉速的調節(jié)方式，易引起機房內送風溫度過低，而導致機房內IT設備的進風溫度過低；存在機房內濕度控制精度差的缺陷。

因此，現有技術有待于進一步的改進。

技術實現要素：

鑒于上述現有技術中的不足之處，本發(fā)明的目的在于為用戶提供一種基于PID算法的空調控制方法及其系統，克服現有技術中機房內IT設備的進風溫度過低，存在機房內濕度控制精度差的缺陷。

本發(fā)明解決技術問題所采用的技術方案如下：

一種基于PID算法的空調控制方法，其中，包括以下步驟：

步驟A、采集機房內空調的送風溫度、回風溫度和濕度；

步驟B、根據所述送風溫度、回風溫度和預設機房溫度，控制空調內壓縮機啟動的個數和啟動時間；

步驟C、利用增量式PID算法，根據所述送風溫度和回風溫度之間的溫差值和預設機房溫度,計算出壓縮機的最優(yōu)輸出頻率；同時根據壓縮機的最優(yōu)輸出頻率調節(jié)風機的轉速；

步驟D、控制壓縮機以所述最優(yōu)輸出頻率進行冷量輸出和控制風機以調節(jié)后的轉速轉動。

所述的基于PID算法的空調控制方法，其中，所述步驟B包括：

步驟B1、當滿足條件T2>T+k1時，且無壓縮機運行時，則啟動第一壓縮機；

步驟B2、當滿足條件T2>T+k2時，且第一壓縮機的轉速為最大值，并保持第一預設時間TIME1后，則啟動第二壓縮機；

步驟B3、當滿足條件T2<T-k3時，且第一壓縮機和第二壓縮機的轉速為最小值，則保持第二預設時間TIME2后，則停止第二壓縮機或者第一壓縮機的運行；

步驟B4、當滿足條件T2<T-k4時，且正在運行的第一壓縮機或者第二壓縮機的轉速為最小值，并保持第三預設時間TIME3后，則停止所有壓縮機運行；

其中，所述T2為回風溫度，T為預設機房溫度， k2>k1，k4>k3，且k1、k2、k3和k4的值為不大于2的常數；所述TIME1、TIME2和TIME3的值為常數。

所述的基于PID算法的空調控制方法，其中，所述步驟C中所述增量式PID算法通過如下公式一計算：

△u_k= u_k-u_k-1= Kp×△e_k+ Ki×e_k+ Kd×[△e_k-△e_k-1]；

e_k =T-T2；△e_k=e_k-e_k-1，△e_k-1=e_k-1-e_k-2；

其中，T為預設機房溫度，T2為回風溫度；所述Kp、Ki和Kd為常數。

所述的基于PID算法的空調控制方法，其中，所述步驟C中還包括：

步驟C1、將增量式PID算法和自適應算法相結合，通過如下公式二計算壓縮機的最優(yōu)輸出頻率：

△u_k =△u_k (1+ Kx)；

其中：Kx=|預設值－反饋值| / 預設值 ×100%；當Kx<10%時，△u_k =△u_k ；當Kx>= 10%時, △u_k =△u_k (1+ Kx)；所述反饋值為空調的回風溫度，所述預設值為預設回風溫度。

所述的基于PID算法的空調控制方法，其中，所述步驟C還包括：

步驟C2、將風機的轉速與壓縮機的轉速同步設置后，根據送風溫度、回風濕度、預設第一保護值、預設第二保護值、預設第三保護值和第四保護值對風機的轉速進行調節(jié)；

若送風溫度小于預設第一保護值，則控制風機的轉速不得小于預設第二保護值；若回風濕度大于第三保護值，則控制風機轉速不得大于第四保護值。

一種基于PID算法的空調控制系統，其中，包括：多個壓縮機、與每個壓縮機建立一一對應連接的多個變頻器、風機、與全部風機均建立連接的共用調速器、送風溫度傳感器、回風溫度傳感器、回風濕度傳感器和控制器；

所述送風溫度傳感器、回風溫度傳感器和回風濕度傳感器采集機房內空調的送風溫度、回風溫度和濕度，傳送到控制器；

所述控制器包括：啟動個數及時間控制模塊、最優(yōu)數據計算模塊和控制運行模塊；

所述啟動個數及時間控制模塊，用于根據所述送風溫度、回風溫度和預設機房溫度，控制空調內壓縮機啟動的個數和啟動時間；

所述最優(yōu)數據計算模塊，用于利用增量式PID算法，根據所述送風溫度和回風溫度之間的溫差值和預設機房溫度,計算出壓縮機的最優(yōu)輸出頻率，同時根據壓縮機的最優(yōu)輸出頻率調節(jié)風機的轉速；

控制運行模塊，用于控制壓縮機以所述最優(yōu)輸出頻率進行冷量輸出和控制風機以調節(jié)后的轉速轉動。

所述的基于PID算法的空調控制系統，其中，所述啟動個數及時間控制模塊包括：

第一條件判定單元，用于當滿足條件T2>T+k1時，且無壓縮機運行時，則啟動第一壓縮機；

第二條件判定單元，用于當滿足條件T2>T+k2時，且第一壓縮機的轉速為最大值，并保持第一預設時間TIME1后，啟動第二壓縮機；

第三條件判定單元，用于當滿足條件T2<T-k3時，且第一壓縮機和第二壓縮機的轉速為最小值，則保持第二預設時間TIME2后，則停止第二壓縮機或者第一壓縮機的運行；

第四條件判定單元，用于當滿足條件T2<T-k4時，且正在運行的第一壓縮機或者第二壓縮機的轉速為最小值，并保持第三預設時間TIME3后，則停止所有壓縮機運行；

其中，所述T2為回風溫度，T為預設機房溫度， k2>k1，k4>k3，且k1、k2、k3和k4的值為不大于2的常數；所述TIME1、TIME2和TIME3的值為常數。

所述的基于PID算法的空調控制系統，其中，所述增量式PID算法的通過如下公式一進行計算：

△u_k= u_k-u_k-1= Kp×△e_k+ Ki×e_k+ Kd×[△e_k-△e_k-1]；

e_k =T-T2；△e_k=e_k-e_k-1，△e_k-1=e_k-1-e_k-2；

其中，T為預設機房溫度，T2為回風溫度，所述Kp為比例系數；Ki:積分系數；Kd：微分系數。

所述的基于PID算法的空調控制系統，其中，所述最優(yōu)數據計算模塊，還用于將增量式PID算法和自適應算法相結合，通過如下公式二計算壓縮機的最優(yōu)輸出頻率：

△u_k =△u_k (1+Kx)；

Kx=（預設值－反饋值）/ 預設值 ×100%； 當Kx<10%時，△u_k =△u_k ；

當Kx>= 10%時, △u_k =△u_k (1+ Kx)；

其中，所述反饋值為空調的回風溫度，所述預設值為預設回風溫度。

所述的基于PID算法的空調控制系統，其中，所述最優(yōu)數據計算模塊，還用于將風機的轉速與壓縮機的轉速同步設置后，根據送風溫度、回風濕度、預設第一保護值、預設第二保護值、預設第三保護值和第四保護值對風機的轉速進行調節(jié)；

若送風溫度小于預設第一保護值，則控制風機的轉速不得小于預設第二保護值；若回風濕度大于第三保護值，則控制風機轉速不得大于第四保護值。

有益效果，本發(fā)明提供了一種基于PID算法的空調控制方法及其系統，通過采集機房內空調的送風溫度、回風溫度和濕度；根據所述送風溫度、回風溫度和預設機房溫度，控制空調內壓縮機啟動的個數和啟動時間；利用增量式PID算法，根據所述送風溫度和回風溫度之間的溫差值和預設機房溫度,計算出壓縮機的最優(yōu)輸出頻率；同時根據壓縮機的最優(yōu)輸出頻率調節(jié)風機的最優(yōu)轉速；控制壓縮機以所述最優(yōu)輸出頻率進行冷量輸出和控制風機以調節(jié)后的轉速轉動。實現機房空調的優(yōu)化控制，彌補現有技術在機房低負載時的控制缺陷，機房負載比較低時，運行一臺壓縮并對其進行調節(jié)，通過變頻器對壓縮機轉速調節(jié)，空調輸出更小的冷量，以達到機房內冷量與熱量的平衡，減少壓縮機的啟停次數，降低了壓縮機的運行能耗，從而使空調的運行更節(jié)能。應用本技術后空調的冷量調節(jié)范圍更廣，有效解決了機房溫度波動過大的問題，減少了壓縮機的啟停次數，同時節(jié)能效果更優(yōu)。

附圖說明

圖1是本發(fā)明所述基于PID算法的空調控制方法的步驟流程圖。

圖2是本發(fā)明所述系統的原理結構示意圖。

具體實施方式

為使本發(fā)明的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚、明確，以下參照附圖并舉實施例對本發(fā)明進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用于解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

針對機房空調能耗高、以及上述現有技術中存在的缺陷，本發(fā)明提出一種新型的控制方法及控制系統。本發(fā)明提供的所述方法及系統適用于舊機房空調的改造以及新機房空調的控制系統，通過對每臺壓縮機單獨配置變頻器，對室內風機配置一臺調速器，通過采集機房內空調的送風溫度、回風溫度與濕度，由控制設備內置的控制器，計算最優(yōu)的輸出頻率，控制壓縮機及室內風機的轉速，從而實現空調冷量的調節(jié)。

本發(fā)明提供了一種基于PID算法的空調控制方法，如圖1，包括以下步驟：

S1、采集機房內空調的送風溫度、回風溫度和濕度。

使用安裝在空調機房內的送風溫度傳感器、回風溫度傳感器以及回風濕度傳感器分別對空調機房內的送風溫度、回風溫度和濕度進行采集，并將采集到的數據發(fā)送到控制器。

S2、根據所述送風溫度、回風溫度和預設機房溫度，控制空調內壓縮機啟動的個數和啟動時間。

為了更好的對空調系統進行控制，本步驟中控制器根據接收到的數據進行壓縮機啟動的個數和啟動時間的計算，具體的，根據接收的數據進行計算的步驟包括:

S21、當滿足條件T2>T+k1時，且無壓縮機運行時，則啟動第一壓縮機；

S22、當滿足條件T2>T+k2時，且第一壓縮機的轉速為最大值，并保持第一預設時間TIME1后，則啟動第二壓縮機；

S23、當滿足條件T2<T-k3時，且第一壓縮機和第二壓縮機的轉速為最小值，則保持第二預設時間TIME2后，則停止第二壓縮機或者第一壓縮機的運行；

S24、當滿足條件T2<T-k4時，且正在運行的第一壓縮機或者第二壓縮機的轉速為最小值，并保持第三預設時間TIME3后，則停止所有壓縮機運行；

其中，所述T2為回風溫度，T為預設機房溫度， k2>k1，k4>k3，且k1、k2、k3和k4的值為不大于2的常數；所述TIME1、TIME2和TIME3的值為常數。

S3、利用增量式PID算法，根據所述送風溫度和回風溫度之間的溫差值和預設機房溫度,計算出壓縮機的最優(yōu)輸出頻率；同時根據壓縮機的最優(yōu)輸出頻率調節(jié)風機的最優(yōu)轉速。

所述增量式PID算法的通過如下公式一進行計算：

△u_k= u_k-u_k-1= Kp×△e_k+ Ki×e_k+ Kd×[△e_k-△e_k-1]；

e_k =T-T2；△e_k=e_k-e_k-1，△e_k-1=e_k-1-e_k-2；

其中，T為預設機房溫度，T2為回風溫度，所述Kp、Ki和Kd為常數。

所述步驟S3還包括：

S34、根據回風溫度T2與預設機房溫度T的差值調節(jié)壓縮機的轉速，當T2>T時，增加頻率，反之則降低頻率。

所述步驟S1中還包括：

步驟S311、將增量式PID算法和自適應算法相結合，通過如下公式二計算壓縮機的最優(yōu)輸出頻率：

△u_k =△u_k (1+ Kx)；

Kx=（預設值-反饋值）/預設值 ×100%；當Kx<10%時，△u_k =△u_k ；當Kx>= 10%時, △u_k=△u_k (1+ Kx)；

其中，所述反饋值為空調的回風溫度，所述預設值為預設回風溫度。

本步驟中還包括對風機的轉速進行控制的內容，具體如下：

首先，將風機的轉速與壓縮機的轉速同步設置，然后根據送風溫度、回風濕度、預設第一保護值、預設第二保護值、預設第三保護值和第四保護值對風機的轉速進行調節(jié)；若送風溫度小于預設第一保護值，則控制風機的轉速不得小于預設第二保護值；若回風濕度大于第三保護值，則控制風機轉速不得大于第四保護值，從而避免了風機的風速過大，導致對風機的損壞，同時也避免了由于風機的風速過小，導致的其不能實現其除濕功能。

S4、控制壓縮機以所述最優(yōu)輸出頻率進行冷量輸出和控制風機以所述最優(yōu)轉速轉動。

在上述步驟中計算出的壓縮機的最優(yōu)輸出頻率和風機的轉速后，根據計算出的數據對壓縮機和風機進行控制。

下面以本發(fā)明所提供的方法具體實施時的方法對上述方法做進一步的說明。

在具體實施時，首先采集空調機房的回風溫度，送風溫度和濕度，并對空調機房的溫度進行預先設置，通過對實時采集到的送風溫度和回風溫度與預設機房溫度對壓縮機的最優(yōu)輸出頻率進行計算。

具體的，在計算壓縮機的最優(yōu)輸出頻率之前，先對壓縮機的啟動個數及壓縮機啟動的時間進行計算，其步驟如下：

當滿足條件T2>T+k1時，且無壓縮機運行時，啟動第一壓縮機，此時空調為單臺壓縮機制冷；由于此時機房負載比較低，則只要啟動一臺壓縮機進行制冷就可以滿足需要。

當滿足條件T2>T+k2時，且第一壓縮機的轉速為最大值，并保持時間TIME1后，啟動第二壓縮機，此時空調機房內為兩臺壓縮機制冷；

當滿足條件T2<T-k3時，且兩臺壓縮機的轉速為最小值，并保持時間TIME2后，停止一臺壓縮機，此時空調為單臺壓縮機制冷；

當滿足條件T2<T-k4時，且壓縮機的轉速為最小值，并保持時間TIME3后，所有壓縮機停止運行，此時空調不制冷。

以上，k2>k1,k4>k3，且k1、k2、k3和k4的值為常數，且不大于2。TIME1、TIME2、TIME3的值為常數，一般取值5分鐘。

接下來對正在運行時的壓縮機的轉速進行計算，根據回風溫度T2與預設機房溫度T的差值調節(jié)壓縮機的轉速，當T2>T時，增加頻率，反之則降低頻率。根據預設機房溫度T與回風溫度T2的差值，利用增量式PID算法及自適應算法，計算出壓縮機的最優(yōu)的輸出頻率，其算法如下

△uk = uk-uk-1= Kp×△ek + Ki×ek+ Kd×[△ek-△ek-1] 公式（1）

其中：ek =T-T2；△ek=ek-ek-1，△ek-1=ek-1-ek-2；

Kp:比例系數； Ki:積分系數；Kd:微分系數；所述Kp、Ki和Kd為常數，經過實驗室測試，取值為Kp=120,Ki=40,Kd=30時，本控制方法對溫度的調節(jié)效果比較優(yōu)，也可根據實際情況做小修正，以達到最優(yōu)控制效果。

為了使PID算法調節(jié)更加快速響應，滿足系統需求，在原有PID算法調節(jié)基本上增加參數自適應系數Kx，其算法如下：

△uk =△uk (1+ Kx) 公式（2）

其中：Kx=（設定值-反饋值）/ 設定值 × 100%； 當Kx<10%時，△uk =△uk；當Kx>= 10%時, △uk =△uk (1+ Kx)；

本項技術可以快速調節(jié)空調的冷量輸出，使之與機房IT設備的熱負載快速達到平衡，響應速度快。同時，由于可以實現單壓縮機的調節(jié)以及兩臺壓縮機的調節(jié)，空調的冷量輸出范圍更大（30%～100%），可以滿足大負載機房與小負載機房的實際應用。

本發(fā)明所述方法實現空調在各負載下，通過壓縮機啟停方式實現空調冷量輸出的調節(jié)，配合壓縮機與風機的轉速調節(jié)技術，可實現30%～100%輸出冷量的無級調節(jié)功能。

接下來，本發(fā)明中為風機設置獨立的調速器，且單獨設定風機的最高轉速與最低轉速，風機的實際運行轉速N與壓縮機的轉速同步調節(jié)，同時插入了機房工況的保護邏輯，以保證機房空調更安全與節(jié)能運行，其控制方法如下：

若空調的送風溫度小于第一保護值k1，即T1<k1時，風機的轉速不得小于第二保護值k2；

若計算轉速N小于第二保護值k2，則控制風機的輸出轉速 N=k2,

若計算轉速N大于或等于第二保護值k2時，風機的輸出轉速 N=k2。

若空調的回風濕度大于第三保護值k3，風機轉速不得大于第四保護值值k4；

若計算轉速N小于保護值k4，風機的輸出轉速 N=N,

若計算轉速N大于或等于保護值k4時，風機的輸出轉速 N= k4；優(yōu)選的，所述k4為除濕風速值。

本項技術實現風機轉速的獨立控制，使空調在正常的制冷過程中，可以為機房IT設備提供合適的進風溫度及濕度，減少IT設備因外部環(huán)境而引起的故障，保障其安全運行。

在上述方法的基礎上，本發(fā)明還 提供了一種基于PID算法的空調控制系統，如圖2所示，所述系統包括：多個壓縮機、與每個壓縮機建立一一對應連接的多個變頻器、風機、與全部風機均建立連接的共用調速器、送風溫度傳感器、回風溫度傳感器、回風濕度傳感器和控制器；

所述送風溫度傳感器、回風溫度傳感器和回風濕度傳感器采集機房內空調的送風溫度、回風溫度和濕度，傳送到控制器；

所述控制器包括：啟動個數及時間控制模塊、最優(yōu)數據計算模塊和控制運行模塊；

所述啟動個數及時間控制模塊，用于根據所述送風溫度、回風溫度和預設機房溫度，控制空調內壓縮機啟動的個數和啟動時間；

所述最優(yōu)數據計算模塊，用于利用增量式PID算法，根據所述送風溫度和回風溫度之間的溫差值和預設機房溫度,計算出壓縮機的最優(yōu)輸出頻率，同時根據壓縮機的最優(yōu)輸出頻率調節(jié)風機的最優(yōu)轉速；

控制運行模塊，用于控制壓縮機以所述最優(yōu)輸出頻率進行冷量輸出和控制風機以所述最優(yōu)轉速轉動。

所述啟動個數及時間控制模塊包括：

第一條件判定單元，用于當滿足條件T2>T+k1時，且無壓縮機運行時，則啟動第一壓縮機；

第二條件判定單元，用于當滿足條件T2>T+k2時，且第一壓縮機的轉速為最大值，并保持第一預設時間TIME1后，啟動第二壓縮機；

第三條件判定單元，用于當滿足條件T2<T-k3時，且第一壓縮機和第二壓縮機的轉速為最小值，則保持第二預設時間TIME2后，則停止第二壓縮機或者第一壓縮機的運行；

第四條件判定單元，用于當滿足條件T2<T-k4時，且正在運行的第一壓縮機或者第二壓縮機的轉速為最小值，并保持第三預設時間TIME3后，則停止所有壓縮機運行；

其中，所述T2為回風溫度，T為預設機房溫度， k2>k1，k4>k3，且k1、k2、k3和k4的值為不大于2的常數；所述TIME1、TIME2和TIME3的值為常數。

所述增量式PID算法的通過如下公式一進行計算：

△u_k= u_k-u_k-1= Kp×△e_k+ Ki×e_k+ Kd×[△e_k-△e_k-1]；

e_k =T-T2；△e_k=e_k-e_k-1，△e_k-1=e_k-1-e_k-2；

其中，T為預設機房溫度，T2為回風溫度，所述Kp、Ki和Kd為常數。

所述最優(yōu)數據計算模塊，還用于根據回風溫度T2與預設機房溫度T的差值調節(jié)壓縮機的轉速，當T2>T時，增加頻率，反之則降低頻率。

所述最優(yōu)數據計算模塊，還用于將增量式PID算法和自適應算法相結合，通過如下公式二計算壓縮機的最優(yōu)輸出頻率：

△u_k =△u_k (1+ Kx)；

Kx=|預設值－反饋值| / 預設值 ×100%； 當Kx<10%時，△u_k =△u_k ；

當Kx>= 10%時, △u_k =△u_k (1+ Kx)；

其中，所述反饋值為空調的回風溫度，所述預設值為預設回風溫度。

本發(fā)明涉及的控制設備，控制對象為機房空調，其內部主要設備包括變頻器、調速器、送風溫度傳感器、回風溫度傳感器、回風濕度傳感器和控制器，根據機房空調的壓縮機數量以一對一的原則配置變頻器，室內風機配置單獨的調速器，并采集機房的送風溫度、回風溫度及回風濕度，結合采集到的數據，以及預設機房溫度值，計算出溫差,由控制器計算出匹配的輸出頻率，控制壓縮機與室內風機的轉速，從而完成對空調冷量輸出的控制。

有益效果，本發(fā)明提供了一種基于PID算法的空調控制方法及其系統，通過采集機房內空調的送風溫度、回風溫度和濕度；根據所述送風溫度、回風溫度和預設機房溫度，控制空調內壓縮機啟動的個數和啟動時間；利用增量式PID算法，根據所述送風溫度和回風溫度之間的溫差值和預設機房溫度,計算出壓縮機的最優(yōu)輸出頻率；同時根據壓縮機的最優(yōu)輸出頻率調節(jié)風機的最優(yōu)轉速；控制壓縮機以所述最優(yōu)輸出頻率進行冷量輸出和控制風機以調節(jié)后的轉速轉動。本發(fā)明所述方法及系統中空調的冷量調節(jié)范圍更廣，有效解決了機房溫度波動過大的問題，減少了壓縮機的啟停次數，節(jié)能效果更優(yōu)。

可以理解的是，對本領域普通技術人員來說，可以根據本發(fā)明的技術方案及其發(fā)明構思加以等同替換或改變，而所有這些改變或替換都應屬于本發(fā)明所附的權利要求的保護范圍。